다세계 - 양자역학은 왜 평행우주에 수많은 내가 존재한다고 말할까 -

“양자역학을 향해 떠나는 황홀한 여행”_브라이언 그린
화제의 과학 베스트셀러, 물리학 필독서

숀 캐럴의 신작 《다세계》가 출간되었다. 그의 네 번째 저서로, 출간 즉시 뉴욕타임스 ‘논픽션 종합’ 15위에 오르는가 하면, 아마존 ‘과학’ 1위에 랭크되기도 했다. 일반 독자들에겐 다소 생소할 수 있는 ‘양자역학’을 다룬다는 점을 고려해보면 이례적인 반응이다. 2021년 현재 아마존 서점 리뷰가 대략 1,500개에 달하며, 이는 한국 독자들에게도 익숙한 브라이언 그린, 카를로 로벨리 등에 비견되는 화제성이다. 그만큼 이 책은 과학, 특히 물리학 분야의 필독서로 여겨지고 있다. 현대 물리학의 정수이자 “인류의 가장 위대한 지적 성취”인 양자역학을 알고자 할 때, 결코 빠뜨릴 수 없는 책이다.

이 책은 양자역학을 다루되, 점점 한계에 부딪히는 표준 양자역학의 강력한 대안인 ‘다세계’ 이론의 관점에서 접근한다. 다세계 이론에 따르면, 우리가 살고 있는 이 세계는 유일한 세계가 아니다. 매순간 서로 다른 수많은 세계들이 복제된다. 이를테면 수많은 세계들 중 어떤 세계에서는 “갑자기 지금 타지마할의 복제물이 달에 나타나는 결과를 얻을 수”도 있다(‘타지마할 정리’). 또한 여러 세계들 각각에 수많은 ‘나’가 존재하게 된다. 많은 SF물의 소재인 평행우주를 떠올리면 다세계가 뜻하는 바를 거칠게나마 파악할 수 있을 것이다.

다세계 양자역학은 ‘극도로 간결한 양자역학’이라고 할 수 있는데, 단 두 가지 요소만을 이론에 남겨놓기 때문이다. 바로 ‘파동함수’와 ‘슈뢰딩거 방정식’이다. 표준 교과서 양자역학은 물론 그 대안들인 드브로이-봄 이론이나 큐비즘 같은 이론에는 그 밖의 요소들이 덧붙는다. 반면, 다세계 이론은 단지 파동함수와 슈뢰딩거 방정식으로 모든 것을 설명해낸다. 간결하고 우아하며, 뉴턴의 깔끔한 고전역학처럼 아름답기까지 하다. 다만 그 우아함의 대가로 수많은 복제 세계를 받아들일 것을 요구한다. 조금씩 다른 세계들에 수많은 내가 각기 살고 있다는 것이다.

저자는 ‘직관’이 아닌 ‘객관’에 따를 것을 강조하며, 다세계 이론을 대담하게 옹호해나간다. 그리고 다세계 양자역학을 주장하는 순간, 뒤따라 나오는 여러 질문들에 차근차근 답한다. 얼마나 많은 세계가 존재할까? 다른 세계는 ‘진짜’ 세계일까? 다른 세계를 관찰할 수 없다면, 이런 세계가 존재한다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 그 세계들이 존재하는 공간은 어디이며, 그만큼의 공간이 우주에 마련되어 있는가? 등등. 심지어 숀 캐럴은 여러 세계들의 개수까지 구체적으로 제시할 만큼 정교한 설명을 해나간다.

교과서 양자역학의 한계를 넘어
대담한 진실과 마주하다

사실 1927년 닐스 보어 등의 코펜하겐 학파가 주도권을 잡은 이래, 표준 교과서 양자역학은 그동안 성공적이었다. 어쨌든 계산 결과가 정확했기 때문이다. 반도체와 컴퓨터 메모리 등은 교과서 양자역학의 성과물이다. 하지만 코펜하겐 학파는 양자역학의 토대에 대해서는 무척 무신경한 태도를 취했다. 이른바 ‘하이젠베르크 절단선’이라는 것을 두어, 전자와 같은 미시적인 관찰 대상에는 양자역학을 적용하고, 카메라 같은 거시적인 관찰 주체에는 고전역학을 적용했다. 그렇게 해도 계산 결과는 정확했으며, 그렇게 해야 우리의 직관적인 경험을 거스르지 않았기 때문이다.

다세계 양자역학은 직관보다는 객관에 방점을 찍는다. 거시적인 존재들 역시 궁극적으로는 양자로 구성되어 있는 만큼, 당연히 고전역학이 아니라 양자역학을 따라야 마땅하다는 것이다. 그러므로 다세계 이론은 “모든 것이 양자”라는 전제하에 이론을 전개한다. 그리고 이러한 양자계를 설명하는 데는 파동함수와 슈뢰딩거 방정식, 이 두 가지면 된다는 입장이다.

중요한 점은, 이런 양자역학의 토대에 관한 대담한 입장이 향후 실제적인 연구의 돌파구가 될 수 있다는 것이다. 그간 표준 양자역학에서는 토대에 관한 연구가 불필요한 사변으로 간주되어 오히려 연구 경력의 평판을 저해해왔다. 하지만 양자장 이론이나 양자 중력 등 연구의 지평을 넓히려 한다면, 양자역학의 토대에 관한 연구가 절대적으로 중요하다. 다세계 이론은 이런 토대에 관한 연구 중 가장 합리적이고 신뢰할 만한 이론이다. 저자의 말을 들어보자.

“기존의 양자역학은 완벽하지는 않지만 적절한 일관성을 지닌 체계로서 이제껏 성공적이었다. 하지만 그러한 접근이 단순히 감당해낼 수 없는 상황들이 있는 것도 사실이다. 성공이 사실을 가려서는 안 된다. 특히 시공간의 본질과 전체 우주의 궁극적인 운명을 이해하려면 양자역학의 토대에 관한 연구가 절대적으로 중요하다. 몇 가지 새롭고 흥미로운 실험적 제안들을 소개할 텐데, 그것들은 양자 얽힘과 시공간의 곡률(즉 당신과 내가 ‘중력’이라고 알고 있는 현상) 사이의 관계에 관한 도발적인 제안을 하고 있다. 중력에 관한 완전하고 강력한 양자 이론을 찾는 것은 최근 몇 년 동안 중요한 과학적 목표로 인식되어왔다. 그런데 어쩌면 중력을 ‘양자화’하는 것으로 시작하는 게 아니라, 양자역학 자체를 더 깊이 파고들어 중력이 그 속에 도사리고 있음을 발견하는 것이 해답일지 모른다.”_14쪽

양자역학의 최전선에서 보내온 결정판
“어마어마하게 재미있다.”_조던 엘렌버그, 《틀리지 않는 법》 저자

이 책은 원제가 “Something Deeply Hidden”으로 2019년 미국에서 출간되었다. “깊숙이 숨겨져 있는 어떤 것”이라고 해석되는데, 이는 수많은 변형으로 이어지는 우주 파동함수 속의 존재를 가리킨다. 원제가 이 책의 내용을 시적이고 신비스러운 뉘앙스로 담아내고 있기는 하지만, 한국 독자들에게 막연하게 느껴진다고 생각해 “다세계”로 한국어판 제목을 새로 붙였다. 번역자 김영태는 서울대 물리학과를 졸업하고 미국 UC버클리에서 물리학 박사 학위를 받은 양자역학의 전문가다. 대학 교재인 《일반물리학》의 공역자이자, 여러 대중서를 번역 또는 집필해왔다. 프시케의숲 편집부의 꼼꼼한 원문 대조 과정을 거쳐 오랜 준비 끝에 비로소 한국어판을 출간하게 되었다.

이 세계에서 이 책의 한국어판은 독자들의 관심을 받을까, 아니면 외면 받을까? 다른 평행우주에서 이 책이 초미의 관심사가 된다 해도, 이 우주에서 외면 받는다면 편집자 ‘나’는 무척 의기소침해질 것이다. 반대로 다른 평행 우주에선 초판도 안 팔리더라도, 어쨌건 이 세계에서 중쇄를 찍는다면 편집자 ‘나’는 기분이 좋을 것이다. 이로 미루어볼 때, 다세계 이론을 받아들여 수많은 ‘나’가 존재한다 해도, 그 ‘나’들끼리는 사는 데 서로 영향을 미치지 않고, 정체성의 위기도 크게 없을 것임을 알 수 있다. 저자의 말마따나 “겁내지 말 것!”  

지은이 : 숀 캐럴
이론물리학자이자 과학 베스트셀러 작가. 전문 분야는 양자역학과 중력, 우주론 등이며, 수많은 과학자와 사상가들에게 창조적 영감을 주는 책을 저술해왔다. 1966년에 미국 필라델피아에서 태어나 1993년 하버드대학교에서 천문학 박사학위를 받았다. 그 후 메사추세츠 공과대학 박사 후 연구원, 시카고대학 조교수를 거쳐, 현재 캘리포니아공과대학에서 연구교수로 재직하고 있다. 미국국립과학재단, NASA, 미국물리학회, 런던왕립협회 등으로부터 다수의 상을 받았다. 과학의 대중화를 위해 다방면으로 활동하고 있으며, 《네이처》 〈뉴욕타임스〉 《뉴 사이언티스트》 등 유수의 매체에 기고해왔다. 다세계와 양자역학에 관한 그의 강연은 유튜브와 테드 등에서 수백만의 조회수를 기록했다. 학부 수준의 일반상대성 이론 교과서인 《시공간과 기하학(Spacetime and Geometry)》의 저자이며, 지은 책으로 《현대물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다(From Eternity to Here)》 《우주 끝의 입자(The Particle at the End of the Universe)》 《빅 픽쳐(The Big Picture)》 등이 있다.

옮긴이 : 김영태
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 미국 UC버클리에서 물리학 박사 학위를 받았다. 지금은 아주대학교 물리학과 교수로 비선형 동역학과 뇌과학을 연구하고 있다. ‘공식 없는 물리’ 강의로 유명하며, 전공자들뿐만 아니라 비전공자들도 흥미로워하는 물리 교양 수업으로 인기가 높다. 반도체 내 카오스 현상과 특성을 조사하고 초전도체의 전자기 특성 연구로 업적을 인정받아 영국 케임브리지 국제인명센터에서 발간하는 `탁월한 과학자 2천 명(2000 Outstanding Scientists 2008-2009)'에 등재되기도 했다.
쓴 책으로 『현대 물리학 산책』, 『아시아를 빛낸 노벨상 수상자』, 『속보이는 물리』, 『세상 모든 것의 원리, 물리』, 『현대 물리, 불가능에 마침표를 찍다』 등이 있고, 우리말로 옮긴 책으로 『현대 물리학, 시간과 우주의 비밀에 답하다』, 『물리가 날 미치게 해』, 『현대 물리가 날 미치게 해』 등이 있다.

프롤로그: 겁내지 말 것

1부 기괴한
1장 무슨 일이 일어나고 있는 거지?
2장 용감한 이론
3장 왜 이런 것을 생각하지?
4장 존재하지 않기 때문에 알 수 없는 것
5장 얽힘은 싫어

2부 갈라짐
6장 우주의 갈라짐
7장 질서와 무질서
8장 존재론적 약속이 나를 살쪄 보이게 할까?
9장 다른 방법들
10장 인간적 측면

3부 시공간
11장 공간은 왜 존재할까?
12장 진동의 세계
13장 진공에서 숨 쉬기
14장 공간과 시간을 넘어

 에필로그: 모든 것이 양자다
 부록: 가상 입자 이야기

 감사의 말
 옮긴이의 말
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 참고문헌
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